基于DMIS的斷層三維表面形態(tài)自動檢測方法研究①

席嘉文， 張志成，劉偉方， 魏建新

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅 蘭州 730020； 2.中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；

3.北京南航立科機械有限責任公司，北京 100076； 4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

?

方法探索

基于DMIS的斷層三維表面形態(tài)自動檢測方法研究①

席嘉文1,2， 張志成3，劉偉方1,2， 魏建新4

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅 蘭州 730020； 2.中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；

3.北京南航立科機械有限責任公司，北京 100076； 4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

摘要：針對斷層的測量需求，利用計算機控制技術對空間曲面自動測量程序進行優(yōu)化，以DMIS(Dimensional Measuring Interface Specification)為開發(fā)平臺分別形成四邊形鍵入坐標式自動檢測程序和任意多邊形自動檢測程序，且通過所述程序完成塔里木盆地塔中26井區(qū)某斷層模型表面形態(tài)的仿真，給出兩種針對斷層三維表面形態(tài)檢測的建系方法：模型建系法和機床建系法。并將空間曲面的自動測量技術應用到斷層的三維表面形態(tài)測試中，形成一套針對斷層復雜表面形態(tài)的自動檢測方法，使得斷層的三維表面形態(tài)可以通過上述程序自動測量，且可以使用多個測頭角度連續(xù)進行一次測量。該方法可以克服在傳統(tǒng)的斷層檢測過程中邊界不能完全銜接的問題，提高斷層測量的效率和自動化程度,降低測量過程中的人為因素和后期的數(shù)據(jù)處理難度。

關鍵詞：DMIS程序; 計算機控制技術; 地質(zhì)斷層; 空間曲面; 三維表面形態(tài)的自動檢測技術

0引言

三坐標測量技術是以精密機械為基礎，結合先進的電子技術、計算機控制技術、光學等的一種三維自動化的高精度測量技術，已廣泛應用于機械、汽車、航空航天和電子工業(yè)中。尤其是計算機引入后，它不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC (Computer numerical control)的控制功能，縮短測量時間。

斷層表面由自由曲面構成，它的表面形態(tài)直接關系到面波勘探調(diào)查[1]和近斷層地震動作用下的土質(zhì)邊坡動力響應[2]等問題，所以精度要求高且數(shù)據(jù)信息量大，傳統(tǒng)的三坐標測量方法精度低、耗時長，不能滿足要求，因此斷層表面形態(tài)的檢測更趨向于逆向工程[3]。對于斷層表面形態(tài)的自由曲面測量是將三坐標測量技術移植到地震物理模擬中的關鍵，而進行曲面測量的重點則在于合理高效地定義曲面并實現(xiàn)自動測量。通過長期的探索和研究，空間曲面自動測量已經(jīng)在部分機械行業(yè)中以多種方式體現(xiàn)。目前有部分國內(nèi)外先進行業(yè)通過DMIS平臺實現(xiàn)任意四邊形自動測量，國內(nèi)學者對于空間曲面的自動測量也做了大量工作：余小勇[4]完成了基于DIMS和UG的CMM檢驗路徑生成及仿真；鄒剛[5]提出了通過截平面法生成理論測量路徑，進而確定測量點并計算定位點的方法；宋春剛[6]提出了矩形細分和三角面片兩種測量路徑規(guī)劃方法。這些研究成果都對用三坐標自動測量技術檢測地震物理模型中的斷層表面形態(tài)有深遠影響。

目前對于地震物理模型中斷層表面形態(tài)的測量以手動接觸式測量為主，普通斷層常需要進行多次不同角度的測量，且此方法存在工作量大、人為因素高、后期數(shù)據(jù)處理難度大等問題。本文通過修改和優(yōu)化DMIS程序，將目前機械行業(yè)中CMM(Coordinate Measuring Machine)的自動測量技術應用到斷層表面形態(tài)測試中，將現(xiàn)有的手動接觸式測量更改為自動接觸式測量，對于普通斷層形態(tài)，只需測量一次即可完成多角度自動檢測，從而達到提高測量精度、縮短工作時間、為后期數(shù)據(jù)處理降低了難度的目的。

1通過DMIS程序實現(xiàn)斷層表面形態(tài)的自動檢測

1.1修改現(xiàn)有四邊形自動檢測程序的原因

目前四邊形自動檢測程序多為機械行業(yè)中抽樣點檢測所用。因為機械零件多為規(guī)則形態(tài)，一般只需要一個角度即可完成測量，所以邊界部分是通過手動打點來確定的。而斷層表面的結構較為復雜，且對檢測度要求高，意味著必須從多個角度將斷層劃分為多個四邊形，經(jīng)多次測量才能完整地刻畫出斷層全貌。隨之而來的問題是：(1) 手動打入四個邊界點的方式無法保證這些四邊形的邊界完全重合，如果在拼接處有漏采或者重復采集的情況，則很容易造成模型數(shù)據(jù)失真，并增加后期數(shù)據(jù)處理的難度；(2)如僅使用四邊形來拼接，在斷層的邊緣部分則不一定能完整反映出斷層表面形態(tài)特征。若采用三角形、四邊形、五邊形等任意多邊形拼接，則可以以更清晰的點集形式呈現(xiàn)出斷層表面形態(tài)特征。修改目標：

(1) 將手動打入四個邊界點修改為鍵入四點邊界，保證分割的四邊形邊界可以完全銜接，并在一次測量中更換任意角度；

(2) 將四邊形自動檢測優(yōu)化為任意多邊形自動檢測，保證拼接更完全。

1.2利用DMIS開發(fā)平臺完成程序修改

DMIS是自動化系統(tǒng)之間檢測數(shù)據(jù)的通信標準[7]，可與一些功能強大的語言開發(fā)工具完全兼容。內(nèi)置高級編程命令編輯窗口作為二次開發(fā)工具，可與C、C++、VB、JAVA等語言共同實現(xiàn)這種通訊標準的數(shù)據(jù)中性格式的靜態(tài)或動態(tài)的交互[8]，完成測量任務。此外，DMIS語言基于編譯原理的設計還利于C、C十十的功能嵌入[9]，增強自身程序的開發(fā)功能。根據(jù)斷層表面形態(tài)的檢測要求，在DMIS開發(fā)界面中對已有程序進行開發(fā)優(yōu)化，不論四邊形鍵入坐標是自動檢測程序還是任意多邊形自動檢測程序，都需要通過B樣條曲面定義在DMIS搭建空間自由曲面函數(shù)，該部分工作在原有的四邊形程序中已經(jīng)完成，本文主要通過其定義求出偏導數(shù)，保證曲面方向正確。

空間自由曲面是曲面的一種，其面的形式呈自由變化的狀態(tài)，起伏多樣且無規(guī)律，是曲面中最為豐富的一種形式。在檢測行業(yè)中，如果沒有規(guī)則的幾何參數(shù)來精確定義，很難成為一種被檢測的幾何元素。Huang Yunbao等[10]提出動態(tài)曲面重構方法，在曲面數(shù)據(jù)獲取的過程中動態(tài)重構B樣條曲面，因該曲面具有幾何和仿射不變性、凸包性、交互性、局部性、分片性等性質(zhì)，可以使數(shù)據(jù)點參數(shù)化，有效避免無效測量。

定義B樣條曲面：

(1)

式中：m≥k、n≥h稱為k×h階非均勻B樣條曲面；B樣條Ni,k(u)(i=0,1,2,…,m)與Nj,h(v)(j=0,1,2,…,n)分別由節(jié)點矢量u和v按德布爾和考克斯遞推公式確定。

根據(jù)B樣條曲面定義，可以初步在DMIS中定義任意空間曲面。為保證空間曲面的方向正確，引入其偏導數(shù)的計算公式，保證程序在運行時方向檢索正確。

對式(1)中定義的B樣條曲面，若把參數(shù)“固定在參數(shù)區(qū)間[us≤u

(2)

(3)

再對空間曲面定義進行主成份分析，保證所采集測量點均勻分布。

1.3四邊形鍵入坐標式自動檢測

針對斷層表面形態(tài)測試的特點，將英國雷尼紹公司研制的PH10M自動旋轉測頭結合三坐標測量機對四邊形自動檢測程序進行修改和優(yōu)化。優(yōu)化后程序的流程如圖1所示。

在程序功能部分的最后部分，如果選擇：1—手動采點”，保留原程序，手動控制測頭打點；如果選擇“0—鍵盤輸入坐標點”，程序跳轉至鍵入坐標對話框，鍵入前一次測量的四點坐標，測量機在程序模式下開始自動測量，該運行界面如圖2所示。

圖1　四邊形鍵入坐標式自動測量程序流程圖Fig.1　Flowchart of quadrilateral coordinate automatic　　　 measurement

操作軟件中出現(xiàn)此對話框時，選擇鍵入坐標點檢測，輸入被測四邊形的四個頂點坐標并記錄，此時程序參數(shù)設置完成。在確認測頭升至一個安全高度后，程序循環(huán)運行檢測模型。三坐標測量機開始自動檢測地震物理模型，在選取下一個四邊形時，要保證鍵入的四點坐標中有兩點的坐標完全相同，達到邊界完全銜接的目的。以此類推，將地震物理模型表面分割為多個部分，分別進行自動檢測，直到整個模型測量完成。這種方式可以有效地規(guī)避自由曲面不能完全銜接所帶來的誤差。

1.4任意多邊形自動檢測

使用相同設備對任意多邊形自動檢測程序進行修改和優(yōu)化。優(yōu)化后程序主要流程如圖3所示。

圖2　四邊形鍵入坐標式自動測量程序運行界面Fig.2　Running interface of quadrilateral coordinate　　　 automatic measurement

圖3　任意多邊形自動測量程序流程圖Fig.3　Flowchart of arbitrary polygon automatic measurement

該程序通過3～20頂點來定義多邊形邊界(多邊形只能為凸多邊形)；定義結束后對該多邊形的函數(shù)進行主成份分析，以確保測量點均勻分布，并確定被測曲面的方向;最后選擇是否在鍵入坐標模式下進行。該軟件的運行界面如圖4所示。

2地震物理模型中斷層檢測實例

2.1測頭校正

測頭部分是測量機的重要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當測針與標準球接觸發(fā)生形變時會發(fā)出一個開關信號，該信號被傳送到控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)對此刻光柵計數(shù)器中的數(shù)據(jù)鎖存，再傳送給計算機，表示測量一個點。

圖5　測頭校準原因說明Fig.5　Reason for the calibrating the probe

在測量過程中采用PH10M測頭，測頭包括3個電子接觸器、前端紅寶石探針以及自動旋轉測座。當測桿接觸物體使測桿偏斜時，至少有一個接觸器斷開，此時機器的X、Y、Z光柵被讀出，這組數(shù)值表示此時的測桿球心位置。PH10M測頭采用偏心轉動原理，且測量軟件顯示的坐標數(shù)據(jù)不是測量機光柵數(shù)據(jù)，而是紅寶石球中心數(shù)據(jù)。當紅寶石球由于接觸導致形變時，中心位置也會有所不同，如圖5所示。此時紅寶石球實際中心和系統(tǒng)默認的中心之間會產(chǎn)生一個誤差Δ，為消除此誤差，每次更換角度前必須重新校正，一般是從標準球上取五個點來校正(可以在測量前將全部使用的角度預先校準好)。

2.2選擇建系方法

2.2.1模型建系法

模型建系法是先利用三坐標測量系統(tǒng)中的默認坐標系(在ARCO CAD中稱為“MAC”)對地震物理模型校準，用軟件找正來代替物理校準，此過程的目的就是要建立一個不同于機床坐標系的坐標系，稱為“模型坐標系”。這相當于將坐標系直接建立在被測模型上。

這種方法需要被測模型有足夠的規(guī)則形體，例如：等高面、圓孔、圓柱、球等。而在斷層中很難找到這類規(guī)則形體。因此若要移植此方法，則必須對地震物理模型做簡單的改造：每次在模型基底上連接三個標準球(或鑿三個圓形孔)，通過測量三個標準球的球心(三個圓孔的圓心投影位置)來建立坐標系，確定原點。將機床坐標擬合在物理模型坐標上，保證儀器測量范圍內(nèi)模型上的各個點相對位置不變。

該坐標法具有精度高、有效減少人為因素的優(yōu)點，但其缺點是工作量大，每個物理模型都需要在基地上連接標準球。

2.2.2機床坐標法

機床坐標法是為提高采集效率，減少工作量而直接使用機床坐標系，不需要另外建立其他坐標系。在測量開始前需要制作一個針對不同大小模型都可以使用的裝槽來固定模型(裝槽采用三個半球形呈90°，從模型兩個側面固定)，保證它的絕對位置不變。此坐標法具有工作量小、易于操作的優(yōu)點，但相較于模型建系法而言，會產(chǎn)生一個可估計的誤差。

2.3自動檢測實例

在軟件系統(tǒng)中分別導入原有的四邊形自動檢測程序和更改后四邊形鍵入坐標式自動檢測程序及任意多邊形自動檢測程序，并分別運行比較差異。以塔里木盆地塔中26井區(qū)某處斷層為例(圖6)，采用英國雷尼紹公司研制的PH10M自動旋轉測頭結合三坐標測量機，對修改后的程序在斷層表面形態(tài)模擬中的實用性進行檢驗(圖7)。

圖6　塔里木盆地塔中26井區(qū)某斷層模型Fig.6　Model of a fault in Tazhong-26 well area, Tarim Basin

圖7　原有程序及優(yōu)化后程序的數(shù)據(jù)模型Fig.7　Data models of the original program and　　　 aptimized program

從圖7中可以看到數(shù)據(jù)右上方有一處數(shù)據(jù)缺失，由于數(shù)據(jù)量較大，不易觀察區(qū)別，所以利用Geomagic對所得數(shù)據(jù)做抽稀處理后再比較異同。

2.4數(shù)據(jù)處理后的對比結果

對原有的四邊形自動檢測程序所得結果進行數(shù)據(jù)處理:(1)在點界面中執(zhí)行體外孤點，為保證數(shù)據(jù)的準確性，敏感性調(diào)至95%，將選中的紅色部分點刪除，如圖8(a)所示；(2)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采樣處理，設置連續(xù)兩點最小距離，并依照此距離自動生成坐標系，如圖8(b)所示；(3)為保證斷層數(shù)據(jù)完整性，將曲率最小值優(yōu)先進行抽稀，結果如圖8(c)所示；(4)為便于觀察，最后再對數(shù)據(jù)模型進行統(tǒng)一采樣處理(選擇保留數(shù)據(jù)百分比50%),結果如圖9(a)所示。

按相同的方法步驟對更改后四邊形鍵入坐標式自動檢測程序和任意多邊形自動檢測程序所得結果進行數(shù)據(jù)處理，結果如圖9(b)所示，并與修改前的結果[圖9(a)]進行對比。

圖8　數(shù)據(jù)處理Fig.8　Data processing

圖9(a)因數(shù)據(jù)采樣不能鍵入坐標，無法保證四邊形完全拼接，所以測頭垂直向下將整個模型表面作為一個四邊形進行測量?？梢钥吹接疑辖怯幸粋€明顯的數(shù)據(jù)缺失,原因是此處有一條斷層阻擋了測頭，使得測頭無法測量到該斷層處數(shù)據(jù)。將造成數(shù)據(jù)缺失的斷層處放大，被阻擋部分如圖10黑色部分所示。如不更改程序，此時需重新定義數(shù)據(jù)缺失的曲面部分，再次進行測量，完成后疊加兩次測量數(shù)據(jù)做抽稀處理。

在程序修改后[圖9(b)]，在斷層處直接更換測頭角度測量，測頭角度取為45°，記錄更換角度時的兩點坐標，將斷層部分作為一個獨立四邊形(或任意多邊形)進行測量，如圖11黑色部分所示。在角度更換完成后鍵入所記錄坐標，并再次記錄其中兩點坐標，作為下一個被測四邊形(或任意多邊形)的一條邊，以延伸下一個被測多邊形。依此類推，測量任務可一次完成。這樣滿足了多邊形完全拼接，且測頭角度可以多次選擇。從掃描結果可以看到，斷層處的數(shù)據(jù)完整且邊界部分并沒有數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)重疊。

圖10　測頭被斷層阻擋部分Fig.10　The probe blocked by the fault

圖11　部分斷層作為四邊形分次測量Fig.11　Measurement of part of the fault as a quadrilateral

3結論與討論

本文針對斷層表面形態(tài)三維測試的需求，以三坐標測量機作為模型的測量裝置，DMIS作為開發(fā)程序，利用計算機控制技術將機械行業(yè)中的空間曲面自動測量程序修改并應用到斷層表面形態(tài)檢測中，并通過實例給出了地震物理模型和斷層的三維表面形態(tài)檢測方法與步驟。取得以下主要成果：

(1) 對于空間自由曲面而言形成了四邊形鍵入坐標式自動檢測程序；

(2) 將四邊形自動檢測程序優(yōu)化為任意多邊形自動測量程序(3～20頂點的凸多邊形)；

(3) 給出了兩種針對斷層三維表面形態(tài)檢測的建系方法：模型建系法和機床建系法；

(4) 將原有的手動接觸式測量更改為自動接觸式測量，原先需多次更換角度才能完成的測量任務，現(xiàn)一次即可完成多角度自動檢測?？朔藬鄬颖砻娓鼡Q角度測量時邊界不能完全銜接的問題，并將四邊形拼接衍生為任意多邊形拼接，提高了測量精度，縮短了工作時間。同時省去了重復數(shù)據(jù)抽稀、曲面重建等較為復雜的數(shù)據(jù)處理過程，從而降低了后期數(shù)據(jù)處理的難度。總之，通過DMIS平臺將此兩款程序導入測量系統(tǒng)的配套軟件中，從而將自動測量技術移植到斷層表面形態(tài)的檢測中，對于地質(zhì)勘探行業(yè)、DMIS程序開發(fā)行業(yè)、逆向工程行業(yè)都有一定利用價值。

參考文獻(References)

[1]車愛蘭，吳志堅.黃土斜坡震害面波勘探調(diào)查及其動力穩(wěn)定性分析——以甘肅岷縣、漳縣MS6.6地震為例[J].地震工程學報，2013，35(4)：724-729.

CHE Ai-lan,WU Zhi-jian.Surface Wave Investigation and Dynamic Stability Analysis for Earthquake-induced Loess Londslides [J].Earthquake Engineering Journal, 2013,35(4)：724-729.(in Chinese)

[2]宋健，高廣運，陳青生，等.近斷層地震動作用下土質(zhì)邊坡動力響應研究[J].地震工程學報，2013，35(1)：62-69.

SONG Jian,GAO Guang-yun,CHEN Qing-sheng,et al.Dynamic Response of Soil Slope under the Action of Near Fault Ground Motion[J].Earthquake Engineering Journal,2013, 35 (1):62-69.(in Chinese)

[3]崔亞新,丁鳳娥.基于三坐標測量機的逆向工程技術概述[J].吉林工程技術師范學院學報：工程技術版，2004，20(9)：9-11.

CUI Ya-xin，DING Feng-e.Study on Reverse Engineering Based on Coordinate Measuring Machine[J].Journal of Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology:Engineering Technology Edition,2004,20(9):9-11.(in Chinese)

[4]余小勇.基于DMIS和UG的CMM檢測路徑生成及仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2006(1)：119-122.

XU Xiao-yong.Form and Simulation of CMM Measuring Track Based on DMIS and UG[J].Modern Electronics Technique,2006 (1):119-122.(in Chinese)

[5]鄒剛，王亞平，李永剛.三坐標測量機測量路徑自動生成的研究[J].理論與實踐，2004，24(3)：6-7.

ZOU Gang,WANG Ya-ping,LI Yong-gang.Research about Measuring Path Auto-generation of CMM[J].Theory and Practice,24,2004 (3):6-7.(in Chinese)

[6]宋春剛，蘭詩濤，王文.自由曲面的接觸式測量路徑規(guī)劃方法研究[J].機電工程，2003，20(5)：3-5.

SONG Chun-gang,LAN Shi-tao,WANG Wen.Research on the Path Planning of Contact Measurement for Free Form Surfaces[J].Mechanical and Electrical Engineering Magazine,2003,20(5):3-5.(in Chinese)

[7]李鋒.面向坐標測量技術的DMIS標準的研究與軟件接口開發(fā)[D].西安：西安理工大學， 2004.

LI Feng.The Study of DMIS Associated with CoOrdinate Measuring Technology & Development of Interface Software[D].Xi' an: Xi' an University of technology,2004.(in Chinese)

[8]意大利Metro Staff公司北京代表處. ARCO CAD用戶手冊[M].2010.

Beijing Representative Office of Italy Metro Staff Company.CAD ARCO User Manual[M].2010.(in Chinese)

[9]Brian Overland.C++語言命令詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,2000．

Brian Overland.C++Language Command[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2000.(in Chinese)

[10]HUANG Yun-bao，QIAN Xiao-ping. Dynamic B-splinesurface Reconstruction：Closing the Sensing-and-modeling Loop in 3D Digitization[J].Computer Aided Design，2007，39(11)：987-1002.

Research on Automatic Detection Methods of Three-dimensional

Fault Surface Morphology Based on DMIS

XI Jia-wen1, 2, ZHANG Zhi-cheng3, LIU Wei-fang1, 2, WEI Jian-xin4

(1.NorthwestBranchofResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Lanzhou730020,Gansu,China;

2.KeyLaboratoryofReservoirDescription,CNPC,Lanzhou730020,Gansu,China;

3.NanhangLikeMachineryCo.,Ltd. 100076,Beijing,China; 4.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,Beijing,China)

Abstract：Based on fault measurement requirements, we optimize the automatic measurement program of the space curved surface in some domestic and foreign advanced industries, using computer control technology. Moreover, we complete a quadrangle automatic coordinate entering program and an arbitrary polygon automatic detection program based on DMIS (Dimensional Measuring Interface Specification). In addition, we simulate the fault surface in the central Tarim Basin-26 well area using the above programs and inform two system building methods of 3D-surface morphology detection of faults: The Model Building System Method and The Machine Tool Building System Method. Subsequently, the automatic measuring technique of space surface is applied to the 3D-surface shape measurement of faults. In this way, an automatic detection method for the complex surface of the fault is formed. Thus, the 3D-surface shape of the fault can be measured automatically, and a measurement can be conducted by using multiple angles of view. This allows the boundaries of faults can be fully connected in the traditional fault detection process. This method improves the efficiency and automation degree of fault measurement as well as reduces the human factor and the difficulty of data processing in the measurement process.

Key words：DMIS program; computer control technology; geological fault; space curved surface; automatic detection technique of 3D-surface morphology

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1115

中圖分類號:P315.9

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2015)04-1115-08

通信作者：張志成。E-mail:tallzhang@263.com。

作者簡介：席嘉文(1991-)，男(漢族)，碩士，工程師，從事信號處理、電子與計算機技術領域的研究。E-mail：gamexi1115@163.com。

收稿日期：①2015-03-10